Verfahren zur elektrischen Steuerung eines in einer Verglasungseinheit eingelagerten Funktionselements
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Verglasungseinheit mit elektrisch steuerbaren optischen Eigenschaften, eine Verglasungseinheit sowie eine Verwendung der Verglasungseinheit.
Funktionselemente mit elektrisch steuerbaren optischen Eigenschaften werden in der industriellen Produktion von Verglasungseinheiten eingesetzt. Derartige Verglasungseinheiten sind häufig Verbundscheiben, in die ein Funktionselement eingebettet ist. Die Verbundscheiben bestehen aus mindestens einer Außenscheibe, einer Innenscheibe und einer klebefähigen Zwischenschicht, die die Außenscheibe mit der Innenscheibe flächig verbindet. Typische Zwischenschichten sind dabei Polyvinylbutyralfolien, die neben ihren Klebeeigenschaften eine hohe Zähigkeit und eine hohe akustische Dämpfung aufweisen. Die Zwischenschicht verhindert den Zerfall der Verbundglasscheibe bei einer Beschädigung. Die Verbundscheibe bekommt lediglich Sprünge, bleibt aber formstabil.
Verbundscheiben mit elektrisch steuerbaren optischen Eigenschaften sind aus dem Stand der Technik bekannt. Solche Verbundscheiben enthalten ein Funktionselement, welches typischerweise eine aktive Schicht zwischen zwei Flächenelektroden enthält. Die optischen Eigenschaften, insbesondere die Transmission von sichtbaren Licht der aktiven Schicht können durch eine an die Flächenelektroden angelegte Spannung verändert werden. Ein Beispiel hierfür sind elektrochrome Funktionselemente, die beispielsweise aus US 20120026573 A1 und WO 2012007334 A1 bekannt sind. Ein weiteres Beispiel sind SPD- Funktionselemente (Suspended Particle Device) oder PDLC-Funktionselemente (Polymer Dispersed Liquid Crystal), die beispielsweise aus EP 0876608 B1 und WO 2011033313 A1 bekannt sind. Durch die angelegte Spannung lässt sich die Transmission von sichtbarem Licht durch elektrochrome oder SPD/PDLC-Funktionselemente steuern.
SPD- und PDLC-Funktionselement sind als Mehrschichtfolien kommerziell erhältlich. Die zum Anlegen einer Spannung erforderlichen Flächenelektroden sind zwischen zwei PET- Trägerfolien angeordnet. Bei der Herstellung der Verglasungseinheit wird das Funktionselement in der gewünschten Größe und Form aus der Mehrschichtfolie
ausgeschnitten und zwischen die Folien einer Zwischenschicht eingelegt. Die Flächenelektroden werden über Flachleiter außerhalb der Verbundscheibe mit einem Kontrollmodul (ECU) elektrisch leitend verbunden. Das Kontrollmodul ist zum Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den Flächenelektroden ausgebildet.
Es wurden Windschutzscheiben vorgeschlagen, bei denen durch ein Funktionselement eine elektrisch steuerbare Sonnenblende realisiert ist, um die mechanische klappbare Sonnenblende in Kraftfahrzeugen zu ersetzen.
WO2019/011891 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Betreiben eines Funktionselements mit elektrisch steuerbaren optischen Eigenschaften.
Eine Verglasungseinheit mit einem solchen Funktionselement weist jedoch eine Temperaturabhängigkeit ihrer Transmission oder auch Transparenz auf. In vielen Fällen haben die schaltbaren Funktionselemente eine Kennlinie, die wesentlich von einer Geraden abweicht und ein reproduzierbares Schaltverhalten schwierig macht.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren bereitzustellen, bei dem das Schaltverhalten der Transparenz verbessert wird.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Steuerung einer Verglasungseinheit mit elektrisch steuerbaren optischen Eigenschaften, wobei die Verglasungseinheit eine Verbundscheibe umfasst, die eine Außenscheibe und eine Innenscheibe aufweist, die über eine thermoplastische Zwischenschicht miteinander verbunden sind. Ferner ist ein Funktionselement zwischen der Außenscheibe und der Innenscheibe angeordnet und weist eine aktive Schicht mit elektrisch steuerbaren optischen Eigenschaften zwischen einer ersten Flächenelektrode und einer zweiten Flächenelektrode auf, wobei die optischen Eigenschaften mittels einer Steuereinheit gesteuert werden. Dazu ist
die Steuereinheit mit den mindestens zwei transparenten Flächenelektroden des Funktionselements verbunden, so dass eine elektrische Spannung zwischen den Flächenelektroden mittels der Steuereinheit angelegt werden kann. Da zwischen der elektrischen Spannung und einer Transparenz des Funktionselements eine nichtlineare Kohärenz vorliegt, wird eine Umkehrfunktion zur Bestimmung eines Betrags der elektrischen Spannung verwendet. Die Umkehrfunktion kann insbesondere die inverse Funktion der Charakteristik der Einstellung der Transparenz (auch Lichtdurchlässigkeit genannt) des Funktionselements sein.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das Schaltverhalten elektrisch schaltbarer Funktionselemente temperaturabhängig ist. Eine elektrische Spannung, die an die Flächenelektroden angelegt wird, führt zu einer umso stärkeren Veränderung der optischen Eigenschaften, insbesondere Transparenz, je höher die Temperatur des Funktionselements oder der Verbundscheibe ist. Wenn die Umkehrfunktion als temperaturabhängige Linearisierungsfunktion verwendet wird, kann eine nichtlineare Kalibrierungsfunktion linearisiert werden. Mit anderen Worten ist die Linearisierungsfunktion die Umkehrfunktion, also die inverse Funktion, der Kalibrierungsfunktion, insbesondere der temperaturabhängigen Kalibrierungsfunktion. Wird also die Umkehrfunktion als temperaturabhängige Linearisierungsfunktion verwendet, kann ein Schaltzustand bei gegebener Temperatur präzise eingestellt werden.
Eine Temperatur des Funktionselements kann durch die Steuereinheit ermittelt und ein Betrag der elektrischen Spannung zwischen den Flächenelektroden mittels der Steuereinheit abhängig von der Temperatur des Funktionselements oder Verbundscheibe bestimmt und an das Funktionselement angelegt werden.
Durch die Erfindung wird ein Verfahren zur elektrischen Steuerung mindestens eines in einer Verglasungseinheit eingelagerten Funktionselements mit elektrisch steuerbaren optischen Eigenschaften bereitgestellt, bei dem die Temperatur des Funktionselements oder der Verbundscheibe ermittelt wird. Die Temperatur kann dann bei dem Ansteuern des Funktionselements berücksichtigt werden und eine Steuersignal zum Schalten des Funktionselements mit der Temperatur angepasst werden. Dadurch ergibt sich eine Kennlinie des Funktionselements die einen nahezu linearen Verlauf aufweist. Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht vor allem darin, dass das nichtlineare Verhalten der elektrischen Spannung
zu Transparenz des Funktionselements linearisiert werden kann und somit ein Temperatureffekt kompensiert werden kann.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Steuereinheit dazu geeignet, eine Impedanz der aktiven Schicht zu bestimmen. Ferner kann mittels der Impedanz die Temperatur des Funktionselements und/oder Verbundscheibe bestimmt werden. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass auf einen Temperatursensor verzichtet werden kann und daher der Aufwand und Kosten bei der Herstellung der Verglasungseinheit reduziert werden. Gleichzeitig kann der Schaltungsaufwand sehr niedrig gehalten werden.
Für die Bestimmung der Impedanz kann die Stromaufnahme des Funktionselements ermittelt werden. Dadurch kann die Impedanz als ein Verhältnis, insbesondere ein Quotient aus Spannung und einem bei der Stromaufnahme ermittelten Strom berechnet werden.
Ist die Temperatur des Funktionselements oder der Verbundscheibe bekannt, kann dann in Abhängigkeit der Temperatur ein an eine Flächenelektrode anzulegendes elektrisches Potential ermittelt werden. Insbesondere ist die elektrische Spannung umso geringer, je höher die ermittelte Temperatur ist. Hierzu sind Kalibrationsdaten in der Steuereinheit gespeichert, beispielsweise eine Kalibrationsfunktion oder -tabeile, welche Spannungswerte als Funktion der Temperatur beinhaltet. So kann mittels der Steuereinheit in Abhängigkeit eines gewünschten Schaltzustands (beispielsweise 50%) der Transparenz und der ermittelten Temperatur (beispielsweise 60°C) der erforderliche Spannungswert ermittelt werden und an die Flächenelektroden angelegt werden.
Die Kalibrationsdaten liegen bevorzugt als kontinuierliche Kalibrationskurve vor, so dass jedem Wertepaar aus T emperatur und Schaltzustand eine Spannungswert zugeordnet werden kann. Die Kalibrationskurve kann beispielsweise dadurch erstellt werden, dass einzelne Funktionswerte durch Messungen bekannt sind, zwischen denen interpoliert wird. Grundsätzlich ist es auch möglich, dass die Kalibrationsdaten tabellenartig vorliegen, wobei bestimmte Bereiche der Temperatur jeweils ein gemeinsamer Spannungswert zugeordnet wird. Letzteres ist weniger bevorzugt, da beim Übergang vom einen in den anderen Temperaturbereich eine plötzliche Änderung des Schaltverhaltens auftreten kann, was für Nutzer irritierend ist.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Flächenelektroden des Funktionselements frei von Isolierungslinien ausgebildet sind. Dabei sind die Flächenelektroden vollflächig ausgebildet, d.h. sie bilden jeweils eine zusammenhängende, vollständige Schicht. Sie weisen keine Unterteilungen oder Segmente auf.
Die zwischen den Flächenelektroden angelegte elektrische Spannung kann eine Gleichspannung oder eine Wechselspannung sein, wobei eine Wechselspannung insbesondere bei einem PDLC-Funktionselement bevorzugt wird.
Erfindungsgemäß wird die Temperatur des Funktionselements oder der Verbundscheibe bestimmt, um die anzulegende Spannung an diese T emperatur anzupassen. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Verbundscheibe insgesamt eine homogene Temperatur aufweist, also die Temperatur des Funktionselements mit der Temperatur anderer Bereiche der Verbundscheibe übereinstimmt, was typischerweise zumindest näherungsweise der Fall ist. Die Bestimmung der Temperatur der Verbundscheibe entspricht demnach zumindest näherungsweise der Bestimmung der Temperatur des Funktionselements. Die Temperatur des Funktionselements oder der Verbundscheibe kann von 30° bis 80°, insbesondere im Bereich 40° bis 60°betragen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in der Steuereinheit implementiert sein.
Die Erfindung umfasst außerdem eine Verglasungseinheit. Die Verglasungseinheit und das Verfahren werden gemeinsam vorgestellt, wobei sich Erläuterungen und bevorzugte Ausgestaltungen gleichermaßen auf Verglasungseinheit und Verfahren beziehen. Sind bevorzugte Merkmale im Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben, so ergibt sich daraus, dass auch die Verglasungseinheit bevorzugt entsprechend ausgelegt und geeignet ist. Sind umgekehrt bevorzugte Merkmale im Zusammenhang mit der Verglasungseinheit beschrieben, so ergibt sich daraus, dass auch das Verfahren bevorzugt entsprechend durchgeführt wird.
Die Verglasungseinheit umfasst die Verbundscheibe bestehend aus mindestens eine Außenscheibe und eine Innenscheibe, die über eine thermoplastische Zwischenschicht miteinander verbunden sind. Das Funktionselement ist in der thermoplastischen Zwischenschicht eingelagert. Die Verglasungseinheit ist dafür vorgesehen, in einer Fensteröffnung beispielsweise eines Fahrzeugs, eines Gebäudes oder eines Raums, den Innenraum gegenüber der äußeren Umgebung abzutrennen. Mit Innenscheibe wird im Sinne der Erfindung die dem Innenraum zugewandte Scheibe bezeichnet. Mit Außenscheibe wird die der äußeren Umgebung zugewandte Scheibe bezeichnet. Die thermoplastische Zwischenschicht dient der Verbindung der beiden Scheiben.
Die thermoplastische Zwischenschicht enthält zumindest ein thermoplastisches Polymer, bevorzugt Ethylenvinylacetat (EVA), Polyvinylbutyral (PVB) oder Polyurethan (PU) oder Gemische oder Copolymere oder Derivate davon, besonders bevorzugt PVB. Die Zwischenschicht ist typischerweise aus einer thermoplastischen Folie ausgebildet. Die Dicke der Zwischenschicht beträgt bevorzugt von 0,2 mm bis 2 mm, besonders bevorzugt von 0,3 mm bis 1 mm.
Die Außenscheibe und die Innenscheibe sind bevorzugt aus Glas gefertigt, insbesondere aus Kalk-Natron-Glas, was für Fensterscheiben üblich ist. Die Scheiben können grundsätzlich aber auch aus anderen Glasarten (beispielsweise Borosilikatglas, Quarzglas, Aluminosilikatglas) oder transparenten Kunststoffen (beispielsweise Polymethylmethacrylat oder Polycarbonat) gefertigt sein. Die Dicke der Außenscheibe und der Innenscheibe kann breit variieren. Vorzugsweise werden Scheiben mit einer Dicke im Bereich von 0,8 mm bis 5 mm, bevorzugt von 1 ,4 mm bis 2,5 mm verwendet, beispielsweise die mit den Standarddicken 1,6 mm oder 2,1 mm.
Die Außenscheibe, die Innenscheibe und die thermoplastische Zwischenschicht können klar und farblos, aber auch getönt oder gefärbt sein. Eine entsprechende Verglasungseinheit als Windschutzscheibe muss im zentralen Sichtbereich eine ausreichende Lichttransmission aufweisen, bevorzugt mindestens 70 % im Haupt-Durchsichtbereich A gemäß ECE-R43. Die Außenscheibe und die Innenscheiben können unabhängig voneinander nicht vorgespannt, teilvorgespannt oder vorgespannt sein. Soll mindestens eine der Scheiben eine Vorspannung aufweisen, so kann dies eine thermische oder chemische Vorspannung sein.
Die Außenscheibe, die Innenscheibe und/oder die Zwischenschicht können weitere geeignete, an sich bekannte Beschichtungen aufweisen, beispielsweise Antireflexbeschichtungen, Antihaftbeschichtungen, Antikratzbeschichtungen, photokatalytische Beschichtungen oder Sonnenschutzbeschichtungen oder Low-E-Beschichtungen.
Die Außenscheibe und die Innenscheibe werden über die Zwischenschicht miteinander laminiert, beispielsweise durch Autoklavverfahren, Vakuumsackverfahren, Vakuumringverfahren, Kalanderverfahren, Vakuumlaminatoren oder Kombinationen davon. Die Verbindung von Außenscheibe und Innenscheibe erfolgt dabei üblicherweise unter Einwirkung von Hitze, Vakuum und/oder Druck.
Die Verglasungseinheit umfasst ein Funktionselement mit elektrisch steuerbaren optischen Eigenschaften, das in die Zwischenschicht eingelagert ist. Das Funktionselement ist typischerweise zwischen mindestens zwei Schichten von thermoplastischem Material der Zwischenschicht angeordnet, wobei es durch die erste Schicht mit der Außenscheibe und durch die zweite Schicht mit der Innenscheibe verbunden ist.
Ein derartiges Funktionselement umfasst mindestens eine aktive Schicht, die zwischen einer ersten Trägerfolie und einer zweiten Trägerfolie angeordnet ist. Die aktive Schicht weist die veränderlichen optischen Eigenschaften auf, die durch eine an die aktive Schicht angelegte elektrische Spannung gesteuert werden können. Unter elektrisch steuerbaren optischen Eigenschaften werden im Sinne der Erfindung solche Eigenschaften verstanden, die stufenlos steuerbar sind, aber gleichermaßen auch solche, die zwischen zwei oder mehr diskreten Zuständen geschaltet werden können. Die optischen Eigenschaften betreffen insbesondere die Lichttransmission und/oder das Streuverhalten. Das Funktionselement umfasst außerdem Flächenelektroden zum Anlegen der Spannung an die aktive Schicht, die bevorzugt zwischen den Trägerfolien und der aktiven Schicht angeordnet sind.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Funktionselement ein PDLC-Funktionselement, insbesondere ein solches, das mindestens einen Bereich der Verglasungseinheit von einem transparenten in einen opaken Zustand und umgekehrt schaltet. Die aktive Schicht eines PDLC-Funktionselements enthält Flüssigkristalle, welche in eine Polymermatrix eingelagert sind. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das Funktionselement ein SPD-
Funktionselement. Dabei enthält die aktive Schicht suspendierte Partikel, wobei die Absorption von Licht durch die aktive Schicht mittels Anlegen einer Spannung an die Flächenelektroden veränderbar ist.
Die Flächenelektroden und die aktive Schicht sind im Wesentlichen parallel zu den Oberflächen der Außenscheibe und der Innenscheibe angeordnet. Die Flächenelektroden sind mit einer externen Spannungsquelle verbunden. Die elektrische Kontaktierung, ebenso wie der Anschluss an die Energiequelle der aktiven Schicht, ist durch geeignete Verbindungskabel, beispielsweise Flachleiter oder Folienleiter realisiert, welche optional über sogenannte Sammelleiter ( bus bars), beispielsweise Streifen eines elektrisch leitfähigen Materials oder elektrisch leitfähige Aufdrucke, mit den Flächenelektroden verbunden sind. Die Dicke des Funktionselements beträgt beispielsweise von 0,4 mm bis 1 mm.
Die Flächenelektroden sind bevorzugt als transparente, elektrisch leitfähige Schichten ausgestaltet. Die Flächenelektroden enthalten bevorzugt zumindest ein Metall, eine Metalllegierung oder ein transparentes leitfähiges Oxid ( transparent conducting oxide, TCO). Die Flächenelektroden können beispielsweise Silber, Gold, Kupfer, Nickel, Chrom, Wolfram, Indium-Zinnoxid (ITO), Gallium-dotiertes oder Aluminium-dotiertes Zinkoxid und/oder Fluor dotiertes oder Antimon-dotiertes Zinnoxid enthalten. Die Flächenelektroden weisen bevorzugt eine Dicke von 10 nm ( Nanometer ) bis 2 pm ( Mikrometer ) auf, besonders bevorzugt 20 nm bis 1 pm, ganz besonders bevorzugt 30 nm bis 500 nm.
Die Erfindung umfasst außerdem eine Verglasungseinheit eines Fahrzeugs oder Gebäudes, mindestens umfassend eine Verbundscheibe mit elektrisch steuerbaren optischen Eigenschaften. Die Verbundscheibe umfasst die Außenscheibe und die Innenscheibe, die über eine thermoplastische Zwischenschicht miteinander verbunden sind, und in die ein Funktionselement mit elektrisch steuerbaren optischen Eigenschaften eingelagert ist. Das Funktionselement weist eine aktive Schicht auf, der an beiden Oberflächen transparente Flächenelektroden zugeordnet sind. Ferner umfasst die Verglasungseinheit eine Steuereinheit zur elektrischen Steuerung der optischen Eigenschaften der Verglasungseinheit nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, die mit den Flächenelektroden des Funktionselements verbunden ist und zum Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den Flächenelektroden ausgebildet ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Funktionselement ein PDLC-Funktionselement, ein SPD-Funktionselement oder ein elektrochromes Funktionselement.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Funktionselement ein PDLC-Funktionselement (polymer dispersed liquid crystal). Die aktive Schicht eines PDLC-Funktionselements enthält Flüssigkristalle, welche in eine Polymermatrix eingelagert sind. Wird an die Flächenelektroden keine Spannung angelegt, so sind die Flüssigkristalle ungeordnet ausgerichtet, was zu einer starken Streuung des durch die aktive Schicht tretenden Lichts führt. Wird an die Flächenelektroden eine Spannung angelegt, so richten sich die Flüssigkristalle in einer gemeinsamen Richtung aus und die Transmission von Licht durch die aktive Schicht wird erhöht. Es können aber auch andere Funktionselemente verwendet werden, deren Veränderlichkeit der optischen Eigenschaften auf Flüssigkristallen basiert, beispielsweise PNLC-Funktionselemente (polymer networked liquid crystal).
In einerweiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die aktive Schicht des Funktionselements eine elektrochemisch aktive Schicht. Solche Funktionselemente sind als elektrochrome Funktionselemente bekannt. Die Transmission von sichtbarem Licht ist vom Einlagerungsgrad von Ionen in die aktive Schicht abhängig, wobei die Ionen beispielsweise durch eine lonenspeicherschicht zwischen aktiver Schicht und einer Flächenelektrode bereitgestellt werden. Die Transmission kann durch die an die Flächenelektroden angelegte Spannung, welche eine Wanderung der Ionen hervorruft, beeinflusst werden. Geeignete funktionelle Schichten enthalten beispielsweise zumindest Wolframoxid oder Vanadiumoxid.
In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Steuereinheit einen Gleichspannungswandler und/oder einen Wechselrichter. Da die Bordspannung eines Fahrzeugs beispielsweise 12 bis 14V beträgt, reicht sie nicht aus um ein Funktionselement zu betreiben. Deshalb ist die Steuereinheit bevorzugt mit einem Gleichspannungswandler ausgestattet. Der Gleichspannungswandler ist dazu vorgesehen, eine Gleichspannung als Primärspannung in einer höhere Sekundärspannung (beispielsweise 65 V) zu wandeln. Die Sekundärspannung kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung 5 V bis 70 V betragen.
Der Wechselrichter ist dazu vorgesehen, die Sekundärspannung in einer Wechselspannung zu wandeln, wobei die Sekundärspannung an die Flächenelektroden angelegt wird. Dies ist
io besonders vorteilhaft, wenn die Verglasungseinheit in einem Fahrzeug eingebaut ist und an die Bordspannung des Fahrzeugs angeschlossen wird. Um die Gleichspannung eines Fahrzeugs in eine Wechselspannung zu wandeln, verfügt die Steuereinheit also über den Wechselrichter. Die Wechselspannung kann von 5 V bis 50 V betragen.
Ferner ist die Steuereinheit zur Ermittlung einer Temperatur des Funktionselements und in Abhängigkeit der Temperatur zur Bestimmung eines Betrags der elektrischen Spannung vorgesehen, die zwischen den Flächenelektroden angelegt wird. Weiterhin ist die Steuereinheit zur Bestimmung der Impedanz der aktiven Schicht vorgesehen, so dass in Abhängigkeit der Impedanz die Temperatur des Funktionselements ermittelt wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Fahrzeug, insbesondere PKW, mit der erfindungsgemäßen Verglasungseinheit beschrieben. Ein weiterer Aspekt der Erfindung umfasst die Verwendung der erfindungsgemäßen Verglasungseinheit in Fortbewegungsmittel für den Verkehr auf dem Land, in der Luft oder zu Wasser, insbesondere in Kraftfahrzeugen beispielsweise als Windschutzscheibe, Heckscheibe, Seitenscheibe und/oder Dachscheibe sowie als funktionales Einzelstück, und als Einbauteil in Möbeln, Geräten und Gebäuden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren und Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Figuren sind eine schematische Darstellung und nicht maßstabsgetreu. Die Figuren schränken die Erfindung in keiner Weise ein.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Verglasungseinheit, Figur 2 ein Diagramm der Trübung eines elektrisch steuerbaren Funktionselements in Abhängigkeit von einer an den Flächenelektroden des Funktionselements angelegten elektrischen Spannung,
Figur 3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
Figur 4 ein Diagramm der Transparenz des elektrisch steuerbaren Funktionselements in Abhängigkeit der elektrischen Spannung sowie der Temperatur,
Figur 5 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Figur 6 ein Diagramm der Leistungsaufnahme in Abhängigkeit von der T emperatur, und
Figur 7 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten jeweils unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind.
Angaben mit Zahlenwerten sind in aller Regel nicht als exakte Werte zu verstehen, sondern beinhalten auch eine Toleranz von +/- 1 % bis zu +/- 10 %.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Verglasungseinheit 100, die beispielsweise in einem Kraftfahrzeug oder in einem Gebäude eingebaut sein kann. Die Verglasungseinheit
100 umfasst eine Verbundscheibe 1. Die Verbundscheibe 1 umfasst eine Außenscheibe 1a und eine Innenscheibe 1b, die über eine Zwischenschicht 3 miteinander verbunden sind. Die Außenscheibe 1a weist eine Dicke von 2,1 mm auf und besteht aus einem Kalk-Natron-Glas. Die Innenscheibe 1b weist eine Dicke von 1 ,6 mm auf und besteht aus einem klaren Kalk- Natron-Glas.
Die Verbundscheibe 1 ist in einem zentralen Bereich mit einem Funktionselement 2, das in die Zwischenschicht 3 eingelagert ist, ausgestattet. Die Zwischenschicht 3 umfasst insgesamt drei thermoplastischen Schichten, die jeweils durch eine thermoplastische Folie mit einer Dicke von 0,38 mm aus PVB ausgebildet sind. Die erste thermoplastische Schicht 3a ist mit der Außenscheibe 1 verbunden, die zweite thermoplastischen Schicht 3b mit der Innenscheibe 1 b. Die dazwischenliegende dritte thermoplastische Schicht umgibt die zugeschnittene Funktionselement 2 (PDLC-Mehrschichtfolie) im Wesentlichen an allen Seiten bündig. Das Funktionselement 2 ist somit rundum in thermoplastisches Material eingebettet und dadurch geschützt.
Figur 1 zeigt weiterhin den Einschaltzustand der Verglasungseinheit 100 mit dem in der Verbundscheibe 1 eingelagerten Funktionselement 2. Die Verglasungseinheit 100 umfasst auch eine Steuereinheit 11 (in einem Kraftfahrzeug auch ECU genannt), die elektrisch mit dem Funktionselement 2 über einen geschlossenen Schalter 12 verbunden ist, so dass eine elektrische Spannung Van das Funktionselement 2 angelegt werden kann.
Die zwischen zwei Flächenelektroden 10 des Funktionselements angelegte elektrische Spannung V kann eine Gleichspannung oder eine Wechselspannung sein. Im Fall eines PDLC-Funktionselement ist die Spannung eine Wechselspannung. Die Steuereinheit 11 ist mit einem Gleichspannungswandler ausgestattet, welcher eine Bordspannung (Primärspannung) in eine Gleichspannung mit höherem Betrag wandelt, beispielsweise 65 V (Sekundärspannung). Die Sekundärspannung muss ausreichend hoch sein, um einen Schaltzustand des Funktionselements 2 von 100% zu realisieren. Die Steuereinheit 11 ist darüber hinaus mit einem Wechselrichter ausgestattet, der die Sekundärspannung in eine Wechselspannung wandelt.
Die optischen Eigenschaften der Verglasungseinheit 100 werden mittels der Steuereinheit 11 gesteuert. Dazu wird Steuereinheit 11 mit den zwei transparenten Flächenelektroden 10 des Funktionselements 2 elektrisch leitend verbunden.
Das Funktionselement 2 ist eine Mehrschichtfolie, die sich aus einer aktiven Schicht 9, zwei Flächenelektroden 10 und zwei Trägerfolien zusammensetzt. Derartige Mehrschichtfolien sind als PDLC-Mehrschichtfolien kommerziell erhältlich. Die aktive Schicht 9 ist zwischen den zwei Flächenelektroden 10 angeordnet. Die aktive Schicht 9 enthält eine Polymermatrix mit darin dispergierten Flüssigkristallen, die sich in Abhängigkeit der an die Flächenelektroden 10 angelegten elektrischen Spannung ausrichten, wodurch die optischen Eigenschaften gesteuert werden können. Die Trägerfolien bestehen aus PET und weisen eine Dicke von etwa 0,125 mm auf. Die Trägerfolien sind mit einer zur aktiven Schicht 9 weisenden Beschichtung aus ITO mit einer Dicke von etwa 100 nm versehen, welche die Flächenelektroden 10 ausbilden. Die Flächenelektroden 10 sind frei von Isolierungslinien ausgebildet. Sie sind vollflächig ausgebildet d.h. sie bilden jeweils eine zusammenhängende, vollständige Schicht. Sie weisen keine Unterteilungen oder Segmente auf.
Figur 2 zeigt ein Diagramm der Trübung (engl. Haze) eines PDLC-Funktionselements aufgetragen gegen eine an den Flächenelektroden 10 anliegende Spannung VRMS bei Raumtemperatur von ca. 25°C und ohne dass das erfindungsgemäße Verfahren verwendet wurde. Die in dem Diagramm erfassten Messungen bilden eine Kalibrierungsfunktion des Funktionselements 2, insbesondere der temperaturabhängigen Kalibrierungsfunktion. Das Diagramm verdeutlich, dass sich die Trübung nicht linear mit der angelegten Spannung verhält. Um die Trübung um 50% zu reduzieren muss eine Spannung um mehr als 50% reduziert werden.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Um ein lineares Verhalten der optischen Eigenschaften des Funktionselements 2 zu erhalten wird eine Umkehrfunktion 300 auf einen gewünschten Wert 200 der Trübung angewendet. Die Umkehrfunktion 300 wird aus der Kalibrierungsfunktion des Funktionselements 2 bestimmt. Als Ergebnis ergibt sich ein Spannungswert 400, der an die Flächenelektroden 10 angelegt werden kann um eine gewünschte Transparenz 200 des Funktionselements 2 zu erzielen.
Figur 4 zeigt ein Diagramm der Transparenz des elektrisch steuerbaren Funktionselements 2 in Abhängigkeit der elektrischen Spannung VRMS sowie der Temperatur ( Temperature ) des Funktionselements 2. Das Diagramm verdeutlich eine Temperaturabhängigkeit der Transparenz.
Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Da die Transparenz des Funktionselements 2 temperaturabhängig ist, wird eine temperaturabhängige Umkehrfunktion 300‘ als temperaturabhängige Linearisierungsfunktion angewendet um einen Spannungswert 400 zu bestimmen. Dazu wird ein Temperaturwert 500 des Funktionselements 2 oder der Verbundscheibe 1 bestimmt.
Figur 6 zeigt ein Diagramm der Leistungsaufnahme {Power) in Abhängigkeit der Temperatur ( Temperature ) des Funktionselements 2 oder der Verbundscheibe 1. Die Leistungsaufnahme wird hier als Maß für die Stromaufnahme verwendet. Es sind sowohl die Scheinleistung P2 (zurückgehend auf den Scheinstrom) als auch die Wirkleistung P1 (zurückgehend auf den Wirkstrom) aufgetragen. Die Scheinleistung P2 setzt sich zusammen aus Wirkleistung P1 und Blindleistung. Es ist zu erkennen, dass die Scheinleistung (beziehungsweise der Scheinstrom) nicht zur Bestimmung einer Temperatur geeignet ist, weil ihre temperaturabhängige Kurve keiner eineindeutigen Funktion entspricht: der gleiche Leistungswert (beziehungsweise Stromwert) kann bei mehr als einer Temperatur auftreten. Dagegen wird die Wirkleistung P1 (beziehungsweise der Wirkstrom) von einer eineindeutigen Funktion beschrieben. Sie lässt sich daher gut zur Ermittlung der Temperatur heranziehen.
Aus dem Diagramm ist außerdem ersichtlich, dass die Stromaufnahme (hier ausgedrückt durch die Leistungsaufnahme) und damit die Impedanz erst ab einer bestimmten Grenztemperatur von etwa 60°C stark temperaturabhängig ist, während die temperaturabhängige Änderung unterhalb der Grenztemperatur beispielsweise bei 40°C oder 50°C vergleichsweise gering ausgeprägt ist.
Figur 7 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Der Temperaturwert 500 des Funktionselements 2 oder der Verbundscheibe 1 kann durch eine Impedanz, insbesondere einen Widerstand der aktiven Schicht 9 des Funktionselements 2 berechnet oder zumindest geschätzt werden. Die
Impedanz, insbesondere der Widerstand wird aus der Leistungsaufnahme aus Figur 6 und dem (Ausgangs-)Spannungswert 400 berechnet. Durch die Leistungsaufnahme des Funktionselements 2 kann eine Stromaufnahme des Funktionselements 2 ermittelt werden. Aus der Stromaufnahme ergibt sich ein Stromwert 600. Aus dem Verhältnis, insbesondere dem Quotienten aus dem Spannungswert 400 zu dem Stromwert 600 berechnet sich die Impedanz Z1 , insbesondere der Widerstand R1 der aktiven Schicht 9 des Funktionselements 2.
Analog zu Figur 5 wird dann die temperaturabhängige Umkehrfunktion 300‘ als temperaturabhängige Linearisierungsfunktion angewendet, um einen Spannungswert 400 zu bestimmen, so dass in Abhängigkeit der Temperatur des Funktionselements 2 ein elektrisches Potential an eine der Flächenelektroden 10 angelegt werden kann.
Ein großer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das Schaltverhalten der Verglasungseinheit durch die Ermittlung der Temperatur anhand des Stromwerts verbessert wird.
Bezugszeichenliste: 1 Verglasungseinheit
1a Außenscheibe
1b Innenscheibe
2 Funktionselement
3 Zwischenschicht 3a erste thermoplastische Schicht 3b zweite thermoplastische Schicht
9 aktive Schicht
10 Flächenelektroden 11 Steuereinheit 12 Schalter
100 Verglasungseinheit
200 Transparenzwert
300, 300‘ Umkehrfunktion 400 Spannungswert
500 Temperaturwert
600 Stromwert